空间电子技术１２４ＳＰＡＣＥＥＬＥＣＴＲＯＮｌＣＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２００９年第２期步进电机高速启停控制的单片机实现闰剑虹何泰祥（西安空间无线电技术研究所，西安７１００００）摘要文章讨论了步进电机加一减速控制技术，根据步进电机负载对速度响应的要求。提出了一种基于单片机的步进电机高速启停控制的数字化实现方法。实践证明，该方法有效克服了步进电机加速过程中容易出现的失步、堵转等问题。关键词步进电机单片机加减速控制０引言步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械运动的电磁元件，输入正确的脉冲时序，步进电机即可按照步进增量进行运动。当采用适当的控制时，电机轴的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，而电机的转动步数也总是和输入脉冲个数相等。由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，并且步进电动机能直接接受数字量的控制，非常适合采用微机进行控制，被广泛应用于机器人动作控制、天线扫描、电子瞄准、飞行器姿态控制、导航控制等方面。某型号扫描伺服机构采用了单片机控制技术来实现对步进电机的高速启停控制。１步进电机的工作特性步进电机具有定位精度高、可重复性好、无积累误差、控制简单、可用于开环控制等优点。由于步进电机没有电刷，其寿命只依赖于轴承的寿命，因此适用于对电机可靠性要求较高的系统中。步进电机也存在缺点，不易实现高速转动就是其中之一。普通电动机的名词术语不能用来描述步进电机，因此步进电机有其专门的术语。通常用来描述步进电机工作特性的术语包括分辨率（或每转步数、步距角）、单步响应、静态保持转矩、动态转矩、矩频特性等［１．２】。其中，步进电机的矩频特性是正确选择电机和驱动方式的关键。矩频特性主要取决于电机、激励方式及驱动器类型等，步进电机典型的矩频特性曲线如图ｌ所示。由图１可知，步进电机在静态时产生的输出转矩最大，当输入脉冲频率（即电机转速）增加时，电机各图１步进电机的矩频特性曲线图相电感在电路接通和断开时阻止相电流达到稳态值，因而电机转矩下降。步进电机的牵人转矩曲线收稿日期：２００７一０９—０３；收修改稿日期：２００７一ｌＯ一１ｌ万方数据２００９年第２期闰剑虹等：步进电机高速启停控制的单片机实现１２５是指电机在不同负载下，能够直接驱动而不致失步的最大启动频率；牵出转矩曲线是指电机在不同负载下，能够正常工作而不致失步的最大工作频率。在特定负载情况下，步进电机有一个最大启动转速和最大负载转速，如果以超出最大启动转速的速度直接驱动电机，将会造成电机失步，严重时电机不能启动；如果电机以超出最大负载转速的速度运行，则不能驱动负载。２步进电机的加一减速控制由步进电机的矩频特性可知，步进电机如要工作在超出其启停频率之外的转速上，则需要某种形式的加一减速控制技术以保证不发生失步现象。当电机以不高于最大启动转速的脉冲频率启动时，逐步增加脉冲频率，直到达到所要求的变速速度。同样，当电机即将进入静止时，应减速到最大启动转速内，从而使电机可以根据指令停止而无位置误差。使用加一减速技术控制步进电机的速度，由于必须供给电机合适的启动一加速一减速一停止信号而增加了总体控制的复杂性。常用的加一减速控制技术有线性加一减速控制和指数律斜率加一减速控制两种¨一ｏ。①线性加一减速控制线性加一减速控制是指加速度保持一恒定值不变，速度以线性规律上升，如图２所示。线性加一减速控制快速性较好，且算法较为简单，容易实现，缺点是加速时间较长，电机通过其谐振点加速可∞能会有困难。②指数律斜率上升、下降控制指数律加速一减速控制方法在电动机转速较低时加速较快，而在转速较高时，加速较慢。该方法优于线性斜率的控制方式指数律斜率上升和下降的加一减速分布情图２线性加一减速斜率分布图况，如图３所示。③指数律斜率上升和逆指数律斜率下降控制图３所示的速度控制方式的不足之处是在高速时速度减得太快。由于减速脉冲频率开始时较高，因此在减速期间可能丢步。解决减速脉冲链的较好的方法是使用一种逆指数分布，如图４所示。ｆ．ｆ图３一种指数律控制的加一减速分布图图４指数律上升和逆指教律下降的分布图３线性加一减速控制的单片机实现传统的步进电机速度控制多采用模拟电路来实现，用线性压控振荡器及辅助电路向步进电机提供加速／减速脉冲…，电路设计复杂、调试困难，同时，由于大量使用了起分压作用的变阻器，使电路的可靠性下降，不宜用于空间天线控制、导航控制等可靠性要求较高的系统中。因此，考虑到步进电机的数字特性，在空间某型号扫描机构伺服控制系统中，采用了单片机（８０Ｃ３１）控制来实现对步进电万方数据空间电子技术２００９年第２期机的加减速调速。采用单片机对步进电机进行加减速控制，实际上是改变输入到电机驱动器的脉冲频率。单片机控制步进电机加减速运转的方法有硬件法和软件法两种。软件法是指用延时程序来改变输出脉冲频率，其缺点是占用了大量的ＣＰＵ时间，使单片机无法同时进行其他工作。硬件法是用一个定时器来实现，在每次进入定时中断后，改变定时器的定时常数，从而实现变速控制。这种方法占用的ＣＰＵ时间较少，是一种较为常用的调速方法。文章采用了定时器（８２Ｃ５４）的方法，利用８２Ｃ５４产生驱动电路的控制脉冲，利用中断信号实现对脉冲频率的线性控制，最终完成步进电机的线性加一减速控制。系统方框图如图５所示。该扫描机构伺服系统的主要功能是在规定的时间内，驱动天线按扫描图顺序转动到设定的停留位置。系统采用的执行元件是混合式两相步进电机，根据系统需求电机必须在很短的时间内将输入频率达到４０００ｐｐｓ。显然，该系统不但不能采用直接启动的方法驱动电机，而且必须选择适当的变速控制技术来实现高速运转而不致出现失步和堵转现象。对比上述３种加一减速控制技术可以发现，线性加一减速控制法的快速性好，且较易获得解析解，并可将其进一步离散化，从而便于计算机实现。而其他两种方法难以进行直接离散化，计算机实现较为困难。因此，该伺服系统选择采用线性加一减速控制技术来达到电机的高速转动。电机的转速可由公式（１）给出。Ｖ＝Ｖｏ＋ａｔ（１）其中，ｙ为电机转速；Ｖｏ为电机启动转速；口为电机加速度；‘为电机加速时间。若ｔ为相邻两个进给脉冲之间的时间间隔（单位：ｓ），Ｋ为进给一步后的末速度（单位：步／秒），口为进给一步的加速度（单位：步／秒２），则有：Ｋ＝寺Ｋ＋１’瓦１Ｅ＋Ｉ（２）由此可计算出相邻两个进给脉冲间的时间间隔为：其中，７＇ｏ可取电机的启动频率，在系统中取２５０Ｈｚ。减速过程为其逆过程。８２Ｃ５４的时钟信号为ｌＯＯｋＨｚ，定时器０的工作方式设置为模式３（方波输出）。当电机启动时，由单片机控制放开刹车，使步进电机驱动电路中的Ｈ桥电路处于正常工作状态，并向８２Ｃ５４定时器０写入初始计数值死，启动定时器０计数开始。当定时器０产生第一个脉冲输出时，该脉冲一方面送到驱动电路中控制电机转动，另一方面又送人８０Ｃ３１的外部中断０（ＩＮＴＯ）中产生中断，既可通知８０Ｃ３１向８２Ｃ５４定时器０写入下一制。重复此过程直至电机速度达到所要求的速率。图５单片机线性加一减连控制方框图‰＝警－１＋ＶＩ＋４ａＴｉ２Ｋ＝寺一专…‰（３）个计数值，实现步进电机速度的线性控制，又可作为步进电机的步进计数来实现天线角位置的开环控万方数据２００９年第２期闰剑虹等：步进电机高速启停控制的单片机实现１２７４结论步进电机加减速控制技术是步进电机控制中的一项关键技术。步进电机升降速曲线的设计直接影响电机运行的平稳性、升降速的快慢、最高速度、定位精度等，从而决定了系统的综合性能。文章介绍了一种基于单片机的步进电机高速启停控制的数字化实现方法，并将其用于工程实践中。实践证明，该方法简单易行，有效地克服了步进电机加速过程中容易出现的失步、堵转等问题，系统定位精度满足用户要求。参考文献［１］［２］［３］王宗培，孔昌平，李楚武，等译．步进电动机及其控制系统［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９８４陈理璧．步进电动机及其应用［Ｍ］．上海：上海科学技术出版社，１９８３王晓明．电动机的单片机控制［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００２作者简介闫剑虹１９７２年出生，毕业于西北工业大学自动控制系，硕士，高级工程师。主要从事卫星天线伺服控制领域的工作。何泰祥学士，毕业于清华大学，研究员。ＨｉｇｈＳｐｅｅｄＳｔａｒｔｕｐＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｔｅｐＭｏｔｏｒｂｙＳＣＭＹａｎＪｉａｎｈｏｎｇＨｅＴａｉｘｉａｎｇ（Ｘｉ’ａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＲａｄｉｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００００）ＡｂｓｔｒａｃｔｍｅｔｈｏｄｂｙＳＣＭＴｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｓｔａｒｔｕｐｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｓｔｅｐｍｏｔｏｒ，ａｎｄｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｏｄｉｇｉｔａｌｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｓｔａｒｔｕｐｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｔｅｐｍｏｔｏｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｉｓｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＳｔｅｐｍｏｔｏｒＳＣＭＳｐｅｅｄｃｏｎｔｒｏｌ（上接第９９页）作者简介唐德效邵兆申１９６２年生，１９８６年获重庆大学工学学士学位，高工，西安空间无线电技术研究所结构技１９７６年生，２００２年获西安交通大学工学硕士学位，工程师。目前主要从事结构分析工作。Ｄｅｓｉｇｎｏｆａ术研究室主任。主要研究方向为空间电子设备的结构设计、结构分析及实验技术。Ｇｅｎｅｒａｌ—ＰｕｒｐｏｓｅＶｉｂｒａｔｉｏｎＴｅｓｔＦｉｘｔｕｒｅＴａｎｇＤｅｘｉａｏＳｈａｏＺｈａｏｓｈｅｎ（Ｘｉ’ａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＲａｄｉｏＴａｅｈｎｏｌｏｇｙ，ＸｉＡｂｓｔｒａｃｔＡｆｉｘｔｕｒｅｉｓｎｅｅｄｅｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔ７１００００）ｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓａｔｅｌｌｉｔｅ，ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｆｉｘｔｕｒｅａｆｆｅｃｔｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｌｙ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉ－ｃａｌｄｅｓｉｇｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｉｏｎｔｅｓｔｓｇｅｎｅｒａｌ—ｐｕｒｐｏｓｅｆｉｘｔｕｒｅ，ａｎｄｔｈｅｆｉｘｔｕｒｅｗｅｒｅｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｖｉｂｒａ－ｆｉｎａｌｌｙ．ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｆｉｘｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔＫｅｙｗｏｒｄｓｓａｔｅｌｌｉｔｅａｎｄ／ｏｒｓｉｍｉｌａｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔＶｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔＧｅｎｅｒａｌ－ｐｕｒｐｏｓｅＦｉｘｔｕｒｅ万方数据步进电机高速启停控制的单片机实现
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
闫剑虹， 何泰祥， Yan Jianhong， He Taixiang西安空间无线电技术研究所,西安,710000空间电子技术
SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY2009，6(2)0次
1.王宗培.孔昌平.李楚武 步进电动机及其控制系统 19842.陈理璧 步进电动机及其应用 19833.王晓明 电动机的单片机控制 2002
1.期刊论文 高亮 8051单片机对步进电机的控制及步进电机升降速曲线的设计 -测控技术2002,21(11)
步进电机是一种易于精确控制的电机,由于其良好的性能而受到广泛的应用.其控制方法也多种多样.介绍了8051系列单片机对步进电机的控制方法,并且提出和对比了几种步进电机升降速曲线的设计方案.
2.学位论文 刘爱萍 基于C8051F005单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计 2007
本课题采用比普通单片机快十多倍的C8051F005单片机，设计了基于C8051F005控制的直线步进电机驱动控制系统，扩大了细分度和速度的可调节范围。 在控制策略上，依据直线步进电机力一速特性和动力学方程，推导了直线步进电动机理想的升降速控制曲线，实现了指数规律的升降速控制，使系统具有良好的动态特性，解决了点位控制中的失步和直线步进电机行程末端的机械冲击问题；采用等幅均匀细分控制技术，有效地克服直线步进电机低频振动，提高了电机在中、低速运行时的性能，提高了系统的分辨率，减小了噪音；采用具有恒流斩波功能的专用驱动芯片，使直线步进电机绕组电流恒定，电机运行更加平稳。 完成了C8051F005单片机和UC3717A结合的硬件电路设计，用汇编语言编写直线步进电机定位、匀速往返和加减速三种运行方式控制程序。实现了对直线步进电机的启停、定位、调速及正反向运行的控制。最后在SLPMU-025A样机上进行了测试，实验结果满足设计要求。 该驱动控制系统可做为步进电机本体研发的配套设备，通过修改软件参数也可推广应用于其他步进电机的驱动控制，具有较好的应用前景。
3.学位论文 李海波 单片机对步进电机三相六拍指数规律升降速的并行控制 2003
该文根据步进电机的动力学方程和矩-频特性曲线建立系统的数学模型,采用指数规律的升降速算法,对升降速的过程进行离散处理,用定时器控制发出脉冲的时间间隔,采用查表和计算相结合的方法实现了步进电机的升降速过程的控制.该系统采用单片机为核心对步进电机进行并行控制.系统的软件设计由C51语言编程来实现,系统由十一个模块构成,各个模块完成特定的功能.用单片机仿真系统,对该系统的软、硬件进行了调试.该文还设计了检测系统用于对步进电机转速和步数的检测.最后,该系统可以实现以下功能:在显示器的提示下,由键盘输入运行的步数和稳定运行的速度;由各个功能键控制系统的运行,按启动键后,步进电机按照输入的步数进行走步;如在运行期间按停止键,则步进电机停止运行.研究表明,采用指数规律的升降速曲线将大大地提高微机控制步进电机的最高工作频率,大大缩短所需的升降速时间.
4.期刊论文 郑彧.陈鸿.裴焕斗 基于SPMC75F2413A单片机的步进电机控制方法 -航空科学技术2007(5)
提出了一种基于凌阳SPMC75F2413A单片机的步进电机微步距控制方法.通过单片机10口输出的数据为步进电机的控制信号,信号经微步距两相步进电机专用驱动器SLA7042M驱动步进电机,实现对步进电机的微步距控制.该控制方法由于减小了步进电机的步距角,从而提高了电机的分辨率.实验表明,该方法能够满足系统的精度要求.
5.期刊论文 黄勇.廖宇.高林.Huang Yong.Liao Yu.Gao Lin 基于单片机的步进电机运动控制系统设计 -电子测量技术2008,31(5)
为了改善步进电机的应用性能,提出了由PC机和单片机组成的步进电机控制系统的设计方案,包括硬件设计、软件和界面程序,详细介绍了步进电机的升降速实现原理和方法,用Matlab 7.1绘制了升降速的指数曲线.在PC机上用C++Builder 6.0开发了系统的应用软件,能够通过串口向单片机发送数据产生控制信号,实现对步进电机的控制.试验结果表明,整个系统成本低、运行平稳、可靠性好.
6.期刊论文 孟武胜.李亮.MENG Wu-sheng.LI Liang 基于AT89C52单片机的步进电机控制系统设计 -测控技术2006,25(11)
提出了一个由AT89C52单片机控制步进电机的系统实例,可以通过键盘输入步进电机相关数据,步进电机根据这些数据来进行工作;并且可根据需要,实时对步进电机工作方式进行设置,具有实时性和交互性的特点;该系统可应用于步进电机控制的大多数场合.实践表明,系统性能优于传统的步进电机控制器.
7.期刊论文 王庆东.刘杰辉.陈亦仁.马强.张令.WANG Qing-dong.LIU Jie-hui.CHEN Yi-ren.MA Qiang.ZHANG Ling
单片机在步进电机驱动控制中的应用 -煤矿机械2006,27(6)
步进电机的驱动电路采用ULN2803达林顿管,驱动程序写入8051单片机,通过程序控制步进电机的转速和转向.实现软件与硬件相结合的控制方法,使步进电机运行稳定、可靠性高,达到了对步进电机的最佳控制.
8.期刊论文 房玉明.杭柏林.FANG Yu-ming.HANG Bai-lin 基于单片机的步进电机开环控制系统 -电机与控制应用2006,33(4)
通过ATMEL89C51单片机对步进电机进行控制,主要介绍了步进电机控制器、驱动电路和LED显示电路的设计,实现了步进电机的开环控制.在步进电机控制器的设计中,重点阐述了脉冲产生电路以及对速度的控制.该系统具有成本低、控制方便的特点.
9.学位论文 王晓丹 基于单片机的步进电机细分驱动系统的研究 2008
混合式步进电机的运行品质既与电机的本体性能有关，也与驱动器和控制器的性能有关。在开环控制下，步进电机的运行噪声大，控制精度低，无
法满足很多场合下较高运行品质的要求，因此实现步进电机的闭环控制可以较大地改善步进电机的系统性能。课题的主要研究目的是设计一款新型的基于单片机的步进电机细分驱动系统，实现对步进电机的闭环控制。 本文作者在深入研究步进电机的结构、运行机理和细分驱动原理的基础上，提出了一种基于正弦电流细分和电流追踪型脉宽调制(PWM)的细分驱动技术，实现了电机的恒转矩运行，提高了运行精度。考虑到步进电机非线性的影响，对将最小二乘法应用于拟合细分步距角误差曲线，以达到修正系统非线性的方法进行了探讨。 在控制策略方面，通过研究两相混合式步进电机的数学模型，构建了步进电机转速闭环控制系统的结构；速度控制器采用模糊自整定PI控制算法。为验证其可行性，建立了驱动系统的仿真模型，对模糊自整定PI控制策略与常规PI控制策略进行了对比仿真分析。 在以上研究的基础，以满足两相混合式步进电机的动态运行特性为出发点，设计了驱动控制器的硬件和软件。驱动控制器主要分为数字控制部分、GAL片逻辑综合信号处理单元、TL494恒流控制电路，驱动功放电路、电流反馈电路、速度检测电路、过流保护电路及系统供电电源模块等。采用单片机DS89C450为控制核心，实现恒流控制、正反转运行、过流保护以及多档位细分等功能。速度检测电路采用增量式光电编码器作为反馈元件，反馈电机转子的实际转速信息，实现闭环控制策略，从而获得优良控制效果。 该驱动控制器已完成制作并进行了联调测试，给出了测试结果并对所测波形进行了分析。实验结果表明，系统硬件和软件设计合理可行，各项技术指标均达到了设计要求，明显地改善步进电机的运行性能，具有一定的实用价值。
10.期刊论文 刁红泉.颜钢锋 基于单片机的通用型五相混合式步进电机驱动器设计 -江南大学学报(自然科学版)2004,3(2)
分析了电脑绣花机系统中,现有的五相混合式步进电机驱动器存在低频转矩振荡、高频输出转矩不足和多电源供电及不通用等诸多不足之处的基础上,设计出一种基于单片机的通用型五相混合式步进电机驱动器.该驱动器使用单一电源供电,驱动五相电机时采用三相励磁PWM输出方式,改善了驱动的矩频特性;同时,此驱动器在不脉冲细分的情形下,可以驱动二、三、四相步进电机.此设计在电脑绣花机系统中投入应用,并取得良好的效果.
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_kjdzjs200902025.aspx
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